燕山大學王明智教授分享《不同的碳前驅物製備NPD的途徑 —工業條件下製備NPD的難點及可行性分析》

2021-02-15 Carbontech

「工欲善其事，必先利其器」，器者，工具也！說到「硬氣」，金剛石材料當仁不讓，作為自然界中在最硬的材料，具有硬度大（莫氏硬度10級），抗壓強度強的性質，長期以來被應用於軍事工程和高端科技領域，廣泛應用於科學研究和工業等，是不可或缺的重要戰略物資，促進了近代與現代工業和科學技術的發展。

合成金剛石和cBN材料硬度歷史年表，紅線表示超硬材料的閾值（40 GPa），青色陰影區表示天然金剛石單晶的硬度範圍（60~120 GPa）。圖片來源：《科學通報》

金剛石多晶體（polycrystalline diamond, PCD）作為重要切割工具的一種，以金剛石微粉通過粉末燒結的方式燒結在一起得到。然而，金剛石是常壓亞穩相，高的溫度會促使其向石墨發生轉變。

通常，工業生產的PCD是通過添加助劑實現燒結的，燒結助劑一般分為金屬和陶瓷，其性能遠低於金剛石，從而大大削弱了 PCD 的性能。

隨著科技的進步，現有的 PCD 產品並不能滿足現代加工的需求了。傳統 PCD 的各方面缺點都是來源於所用添加劑。因此，製備無添加劑的 PCD 是 未來發展的方向。

2003 年，日本科學家 Irifune 教授聯合日本住友株式會社共同開發了由純金剛石相組成的 NPD。在隨後的研發中，他們對 NPD 的實際運用做了很多的工作。從硬度、韌性、熱穩定性以及切割性能等各個方面驗證了，NPD 的性能要遠優於傳統的 PCD 和單晶金剛石，可作為理想的切割工具。

 (a)  高溫高壓下獲得的柱狀 NPD 光學照片；(b) NPD 切刀樣圖

納米聚晶金剛石（NPD）是由石墨在高溫高壓下直接轉變而成的，具有良好的熱穩定性、耐磨性、高於金剛石單晶的硬度，同時具有金剛石單晶所不具備的各向同性。

然而，NPD 現存兩個基本的問題：

1. 如何降低其極端的合成條件，使得 NPD 能夠被工業化製備？

2. 如何進一步地增加 NPD 的性能？

2020年7月16日（周四）晚19:30-20:30，DT新材料&材視&中國超硬材料網，特邀燕山大學王明智教授，作報告分享《不同的碳前驅物製備NPD的途徑 —工業條件下製備NPD的難點及可行性分析》，帶您揭開NPD神秘面紗！

中國材料研究學會超硬材料專業委員會副主任委員，中國超硬材料協會專家委員會主任；國務院特殊津貼獲得者，主要研究方向：超硬及超硬複合材料，特種化合物製備

1. 論述了NPD作為切削工具的優越性及必要性；

2. 壓力過高是使設備、耗材要求過高及工藝時間過長，使製造成本高昂的主要原因；

3. 通過以石墨和碳納米蔥作為前驅物製備NPD的不同路徑，分析了為什麼需要不同高壓的基本原理。

回答了為什麼以碳納米蔥為前驅物製備NPD會大幅度降低需要的高壓；只有降低製備壓力才是降低製備成本的關鍵！

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